Conception d'une cavité optique pour amplifier la mesure magnéto-optique de la résonance ferromagnétique

RÉSUMÉ: La résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) est un domaine de recherche et d’application très large et varié, de l’étude fondamentale des matériaux à des applications pour la magnétométrie et la transduction. L’ODMR peut être reproduite sur plusieurs formes : un effet microscopique exploitant le pompage et la détection d’un système quantique avec des propriétés de transitions optiques dépendantes de l’état de résonance magnétique du système ou bien un effet macroscopique résultant du comportement collectif des phénomènes microscopiques tels que les effets magnéto-optiques pour mesurer la résonance ferromagnétique. Ce mémoire est dédié à une étude plus approfondie de cette deuxième approche, plus spécifiquement, à une technique pour amplifier sa sensibilité. Cette technique repose sur le fait que les effets magnéto-optiques s’additionnent au lieu de s’annuler lorsque l’onde est réfléchie dans le matériau. À l’aide de ce concept, on peut amplifier les effets magnéto-optiques en positionnant un matériau magnéto-optique dans une cavité Fabry-Pérot. Cette cavité magnéto-optique aura l’effet d’augmenter la longueur de propagation totale dans le matériau magnéto-optique et de causer une levée de dégénérescence des deux modes de cavité grâce à la biréfringence magnétique. Il est donc possible d’amplifier la mesure magnéto-optique de la précession de l’aimantation lors de la résonance ferromagnétique (MODMR). Dans la littérature, la cavité magnéto-optique a été étudiée pour des matériaux peu sensibles, mais l’étude en détail de la cavité magnéto-optique pour des matériaux fortement magnéto-optique ne semble pas avoir été faite. Cette catégorie de matériaux, particulièrement sensibles, ouvre la voie à l’amplification de la mesure optique de la résonance ferromagnétique, avec des applica-tions potentielles en magnétométrie ultrasensible, en caractérisation de matériaux, ou encore en transduction entre photons optiques et micro-ondes. Ces avancées concernent aussi bien l’ingénierie que la recherche fondamentale, notamment dans des domaines tels que l’imagerie biomédicale, la détection d’ondes gravitationnelles, l’étude des défauts, des ondes de spin, des supraconducteurs, encore l’interconnexion des ordinateurs quantiques, etc. Cela nous conduit à étudier, dans un premier temps de manière théorique, la cavité magnéto-optique pour la mesure de la résonance ferromagnétique, puis à sa mise en œuvre expérimentale au laboratoire. La théorie des effets magnéto-optiques à partir des équations de Maxwell pour une onde plane dans un matériau cubique naturellement isotrope et anisotrope avec une aimantation non nulle est dérivée pour différents angles entre la propagation du faisceau laser et l’aimantation. ABSTRACT: Optically detected magnetic resonance (ODMR) is a very broad and varied field of research and application, from the fundamental study of materials to applications for magnetometry and transduction. ODMR can be reproduced in several ways: as a microscopic effect exploiting the pumping and detection of a quantum system with optical transition properties dependent on the magnetic resonance state of the system, or as a macroscopic effect resulting from the collective behavior of microscopic phenomena such as magneto-optical effects to measure ferromagnetic resonance. This thesis is dedicated to a more in-depth study of this second approach, and more specifically, to a technique for amplifying its sensitivity. This technique is based on the fact that magneto-optical effects add up instead of canceling out when the wave is reflected in the material. Using this concept, magneto-optic effects can be amplified by positioning a magneto-optic material in a Fabry-Perot cavity. This magneto-optical cavity will have the effect of increasing the total propagation length in the magneto-optical material and causing degeneracy to be lifted from both cavity modes caused by magnetic birefringence. It is therefore possible to amplify the magneto-optical measurement of magnetization precession during ferromagnetic resonance (MODMR). In the literature, the magneto-optical cavity has been studied for low-sensitivity materials, but the detailed study of the magneto-optical cavity for highly magneto-optical materials does not seem to have been done. This category of highly sensitive materials opens the door to amplification of optical measure-ment of ferromagnetic resonance for ultrasensitive magnetometry, material characterization, and transduction between optical photons and microwaves. These advances are relevant to both engineering and fundamental research, in fields such as biomedical imaging, gravitational wave detection, the study of defects, spin waves, superconductors, and the interconnection of quantum computers, among others. This leads us to first undertake a theoretical study of the magneto-optical cavity for ferromagnetic resonance measurement, followed by its experimental implementation in the laboratory. The theory of magneto-optical effects from Maxwell’s equations for a plane wave in a nat-urally isotropic and anisotropic cubic material with non-zero magnetization is derived for different angles between laser beam propagation and magnetization. Then, the ferromagnetic resonance theory for the linearized Laudau-Lifshitz-Gilbert equation is described considering shape anisotropy. Based on this theory, it was possible to model the magneto-optical cavity, and it was found that interface effects are negligible compared with volume effects